Experimenten met optische bench

Moderator: physicalattraction

Gebruikersavatar
Moderator
Berichten: 7.654

Experimenten met optische bench

Ik heb een optische bench gebouwd bestaande uit twee grondplaten van staal (op een granieten plaat gelijmd) en een aantal modules (first sufrace 'Newton' spiegels, prisma's, een laserhouder, lenzen en halfdoorlatende spiegels) welke d.m.v. drie onder de modules gelijmde neodymium magneetjes op die bench worden bevestigd.
 
Bench1.jpg
Bench1.jpg (97.79 KiB) 1997 keer bekeken
Bench2.jpg
Bench2.jpg (106.54 KiB) 1991 keer bekeken
 
Het geheel werkt prima, maar in de bovenstaande opstelling als Michelson interferometer valt mij iets op dat ik niet zomaar kan verklaren:
 
Fringes.jpg
Fringes.jpg (118.23 KiB) 1990 keer bekeken
 
De opstelling levert een mooi patroon van concentrische fringes (hier wat vervormd omdat de foto van opzij moest worden genomen). Maar in de fringes zijn duidelijk een groot aantal verticale lijnen te onderscheiden. Hoe ontstaan deze? De laser zelf kan de oorzaak denk ik niet zijn, want roteren verandert de oriëntatie niet. Is de halfdoorlatende spiegel wellicht de boosdoener, door interne reflecties in het 1 mm dunne glas? 

Gebruikersavatar
Berichten: 5.746

Re: Experimenten met optische bench

Vragen:
 
- Hoe heb je de opstelling geroteerd, op het tafelblad of heb je het tafelblad zelf gekanteld?
 
- Wolden dergelijke verticale patronen ook vermeld in de verslagen van de "officiële" wetenschappelijke metingen?
 
- Is er een verband tussen de afstand tussen de verticale lijnen en de golflengte van de laser?

Gebruikersavatar
Moderator
Berichten: 7.654

Re: Experimenten met optische bench

Hoe heb je de opstelling geroteerd, op het tafelblad of heb je het tafelblad zelf gekanteld?
 
Ten eerste alleen de laser 90 graden geroteerd. Geen verandering in het beeld.
Daarna de hele bench 90 graden geroteerd. Beeldlijnen roteerden mee (werden horizontale lijnen)
Vervolgens de verticaal georiënteerde (3 cm hor * 4 cm vert)  halfdoorlatende spiegel vervangen door een horizontaal georiënteerde (4 cm hor * 3 cm vert ). Ook hierdoor geen wijziging in de oriëntatie van de beeldlijnen.
 
Worden dergelijke verticale patronen ook vermeld in de verslagen van de "officiële" wetenschappelijke metingen?
 
Mij niet bekend, maar ook nog niet echt doorgezocht.
 
Is er een verband tussen de afstand tussen de verticale lijnen en de golflengte van de laser?
 
Vooralsnog onmogelijk te zeggen. De onderlinge afstand tussen de verticale lijnen is op de halfdoorlatende spiegel zelf ongeveer 0,175 mm, terwijl de golflengte 532 nm is. De afstand tussen de verticale lijnen is daar dus ongeveer 330 keer de golflengte. Met het verlopen van de fringes (door bijvoorbeeld lichte druk op de basisplaat uit te oefenen) blijven de verticale lijnen in het interferentiebeeld op dezelfde plaats.
 
Ik vermoed dus dat het om interne reflectie in de halfdoorlatende spiegel gaat. Die staat (vanzelfsprekend) onder een hoek van 45 graden t.o.v. de laserbundel. Maar ik kom niet echt aan een verklarend optisch inzicht. De dikte van halfdoorlatende spiegel heb ik zojuist met een micrometer bepaald op 1,15 mm.
 
De verticale lijnen bestaan uit een licht en een donker deel, alsof dit een vorm van sub-interferentie is. Bovendien wisselen de lichte en donkere banen per ring af. Op de foto is dat vrijwel niet te zien, hier een schetsje:
 
Image1.jpg
Image1.jpg (8.17 KiB) 1971 keer bekeken
 
(Edit: de banden blijken bij nadere beschouwing niet te verspringen. Het patroon leidt inderdaad tot vrijwel perfecte verticale lijnen).

Gebruikersavatar
Moderator
Berichten: 4.234

Re: Experimenten met optische bench

Op de foto van de opstelling zie ik geen projectiescherm, maar ik veronderstel dat die in de "vierde" richting van de halfdoorlatende spiegel staat. De laserbundel ziet er breed uit, dan kan ik me voorstellen dat hij ongewenst spiegelt op de ronde houder van de halfdoorlatende spiegel. Op de foto zie ik het daar groen glimmen. Die valse reflectie vindt vooral plaats op het verticale deel van die ronde houder, ik kan me voorstellen dat dat het verticale patroon oplevert. Om het te testen zou je kunnen proberen om de valse reflectie te verminderen met zwart karton op een geschikte plaats.. 

Gebruikersavatar
Moderator
Berichten: 7.654

Re: Experimenten met optische bench

dan kan ik me voorstellen dat hij ongewenst spiegelt op de ronde houder van de halfdoorlatende spiegel
 
Ik heb twee halfdoorlatende spiegels. Voor de eerste met cirkelvormige vatting 3 breed, 4 hoog zou dit wellicht een verklaring kunnen bieden. Maar het verklaart dan niet het verspringen van de donkere en lichte banden per ring. (Edit: de banden blijken bij nadere beschouwing niet te verspringen. Het patroon leidt inderdaad tot vrijwel perfecte verticale lijnen).
 
De tweede halfdoorlatende spiegel echter is, om een zo groot mogelijk projectiebeeld te kunnen maken, randloos en 4 cm breed, 3 hoog. Ook bij deze 50/50 spiegel treedt hetzelfde effect op. Zie deze uitsnede uit de foto's in het openingsbericht:
 
Bench3.jpg
Bench3.jpg (64.9 KiB) 1974 keer bekeken
 
Het projectieschermpje staat niet op de foto's en stond voor de fringesfoto op een afstand van 3 meter vanaf de 50/50 spiegel.
 
De laserbundel ziet er breed uit
 
Mogelijk baseer jij dat op de reflectie van het door de dubbelconcave lens gedivergeerde laserlicht op het laserhuis en de reflecties daarvan op de 50/50 spiegelhouder. Op de 50/50 spiegel is in deze opstelling de totale diameter van de bundel zelf minder dan een centimeter.

Gebruikersavatar
Moderator
Berichten: 7.654

Re: Experimenten met optische bench

Wat nauwkeuriger naar dat patroon gekeken, het lijkt zeer sterk op dit:
 
moire circular interference 2.jpg
moire circular interference 2.jpg (14.01 KiB) 1971 keer bekeken
 
De lijnen leken verticaal, maar dat kwam omdat ik slechts een paar fringes geprojecteerd had. Het blijken als ik wat uitzoom cirkelbogen te zijn, die ontstaan omdat er links en rechts ook een deel te zien blijkt van twee concentrische cirkelpatronen waarvan het centrum buiten beeld ligt. De interferentie tussen deze twee gedeeltelijke cirkelpatronen met het centrale patroon levert dit moirépatroon op.
 
Kennelijk zijn dit soort moirépatronen goed bekend:
FringeProjection.pdf
(909.93 KiB) 93 keer gedownload
 
Wat nu de precieze oorzaak is, is mij nog niet duidelijk

Gebruikersavatar
Berichten: 5.746

Re: Experimenten met optische bench

Hoe het licht door je opstelling gaat is mij nog niet helemaal duidelijk. Kun je daar een schematische voorstelling van tekenen?

Verder vraag ik mij af wat voor patroon je zou krijgen als de twee interfererende lichtbundels onder een kleine hoek van elkaar op het scherm aankomen. Dan heb je in feite twee lichtbundels met een ellipsvormige doorsnede en een over die doorsnede verlopend faseverschil dat extra interferentiepatronen zou kunnen opleveren. Mogelijk kun je dat nagaan door even opzettelijk een dergelijke afwijking in je opstelling aan te brengen?

Gebruikersavatar
Moderator
Berichten: 7.654

Re: Experimenten met optische bench

Kun je daar een schematische voorstelling van tekenen?
 
Het is een standaard Michelson interferometer, dus volgens dit schema:
 
Michelson interferometer.jpg
Michelson interferometer.jpg (50.85 KiB) 1971 keer bekeken
 
Het patroon wordt geprojecteerd op een schermpje op 3 meter afstand. Maar ook op andere afstanden blijft het (natuurlijk wel kleiner of groter geworden) onveranderd.
 
Mogelijk kun je dat nagaan door even opzettelijk een dergelijke afwijking in je opstelling aan te brengen?
 
Zojuist de spiegels wat 'uit het lood' gezet en weer het interferentiepatroon opgezocht. Het lijkt geen verschil te maken, de min of meer verticale lijnen blijven onveranderd aanwezig.
 
Door de afstand tussen de 50/50 spiegel en de newtonspiegeltjes te variëren en de output van de laser te verhogen tot ongeveer 100 mW krijg ik een wat duidelijker beeld. Dit heb ik op een velletje papier geprojecteerd en aan de achterzijde gefotografeerd (vandaar dat het beeld wat vaag is). Inderdaad is het patroon overeenkomstig dat van bericht #6:
 
Fringes2.jpg
Fringes2.jpg (105.84 KiB) 1968 keer bekeken
 
Deze afbeelding is nogal vaag, maar van de voorzijde gezien blijkt het in tegenstelling tot wat ik eerder beweerde niet zo te zijn dat de verticale lijnen per fringe verspringen. Van boven naar beneden vlak langs het schermpje gekeken vormen de moirépatronen vrijwel perfect rechte verticale lijnen.
 
Zekerheidshalve de glanzende voorzijde van de laserhouder voorzien van een matzwarte schijf met een klein gaatje, zodat ongewenste reflecties van het naar de laserbron terug gestuurde licht geen roet in het eten kunnen gooien. Helaas maakt ook dit geen verschil.
 
Bench4.jpg
Bench4.jpg (293.54 KiB) 1968 keer bekeken
Fringes3.jpg
Fringes3.jpg (641.83 KiB) 1968 keer bekeken
Voor en na.

Gebruikersavatar
Moderator
Berichten: 7.654

Re: Experimenten met optische bench

Ik denk dat ik er uit ben, het moeten inderdaad wel reflecties in/van de 50/50 spiegel zijn.
 
Allereerst zijn de lijnen perfect verticaal, en blijven dat ongeacht of ik de laser of de 50/50 spiegel roteer. De enige verklaring die ik kan vinden ligt in het feit dat die 50/50 spiegel onder een hoek van 45 graden in het horizontale vlak staat.
Net een eenvoudig testje gedaan met alleen de laser en de 50/50 spiegel onder een onderlinge hoek van 45 graden:
 
Het blijkt dat het ene 50% weerkaatste beeldje in werkelijkheid bestaat uit een heldere dot, 1,6 mm links daarvan een duidelijk zichtbare maar veel minder heldere dot en rechts van de heldere dot ook op 1,6 mm nog een vrij zwakke dot. Als ik heel goed kijk denk ik weer 1,6 mm naar rechts een vrijwel niet meer waarneembare 4e dot te zien.
Het ander 50% beeld bestaat uit een heldere dot met op 1,6 mm daarvan een vrij zwakke dot, en ook daarnaast wellicht een nauwelijks waarneembaar dotje (horizontaal in het schetsje)
 
Dat brengt mij op dit het volgende schetsje, waarbij opgemerkt moet worden dat de reflectiepercentages van het glas zelf met een wel heel natte vinger zijn ingeschat:
 
Reflecties 50-50 spiegel.jpg
Reflecties 50-50 spiegel.jpg (71.74 KiB) 1972 keer bekeken
 
Die 1,6 mm is gelijk aan de spiegeldikte maal wortel 2.
 
Dat levert zo meerdere (waarvan 2 goed waarneembare) parasitaire beelden per uitredende bundel die natuurlijk ook weer een interferentiepatroon opleveren en samen met het hoofdbeeld dit moirépatroon opleveren:
 
Afbeelding
 
Conclusie: Als dit klopt, is er helaas niets aan te doen.
Heeft iemand nog een ander inzicht?

Gebruikersavatar
Berichten: 5.746

Re: Experimenten met optische bench

Kun je die ongewenste extra lichtstraaltjes met één of meer schermpjes blokkeren voordat ze op je projectiescherm komen en daar de boel bederven?

Gebruikersavatar
Moderator
Berichten: 4.234

Re: Experimenten met optische bench

Hoe zorg je eigenlijk dat de spiegels niet scheef staan, gaat dat met het timmermansoog, of herken je het aan een zuivere cirkelvorm van de interferentieringen?
Waarom noem je de spiegels in jouw tekening newtonspiegels: zijn ze vlak of hol?
 
MM.png
MM.png (4.18 KiB) 1972 keer bekeken

Gebruikersavatar
Moderator
Berichten: 7.654

Re: Experimenten met optische bench

@pp: Kun je die ongewenste extra lichtstraaltjes met één of meer schermpjes blokkeren voordat ze op je projectiescherm komen en daar de boel bederven?
 
Dat ben ik aan het bekijken. Punt is dan wel dat ik de lens een andere plaats in het geheel moet geven, zodat er van de 50/50 spiegel geen vrij brede (en overlappende) bundel licht vertrekt, maar die paar puntjes. Dan zou ik met een schermpje met een klein gaatje de hoofdbundel kunnen doorlaten en de parasitaire bundels blokkeren.
 
@ JKien Hoe zorg je eigenlijk dat de spiegels niet scheef staan.
 
Dat is tot nu toe wel een gedoe gebleken, en ik ben nog aan het zoeken naar de beste methode. De laser, lens en de tegenoverliggende spiegel redelijk netjes uitlijnen is niet moeilijk. Kwestie van de reflecties weer zo exact mogelijk terug laten keren naar de oorsprong. Maar de juiste hoek van de 50/50 spiegel en het parallel aan de bundel van de 'newton' spiegel instellen is lastiger. Tot nu toe heb ik wat gestoeid met kunststof tekenhoeken en een prisma om de hoeken zo precies mogelijk 45 en 180 graden te krijgen, en vervolgens inderdaad dmv de stelknopjes op de modules te zoeken naar het meest perfect cirkelvormige interferentiepatroon.
 
Jouw schetsje laat ook zien dat als de spiegelhoeken niet exact haaks zijn, er een snijpunt ontstaat op het projectiescherm. Plaats ik het schermpje dichterbij of juist verder, dan zou ik twee punten moeten zien en vrijwel geen interferentie. Dat is bij mij niet het geval, van 10 cm tot 6 meter blijft het voor het blote oog één punt (op die parasitaire beeldjes na) en het interferentiepatroon blijft zichtbaar en hetzelfde.
 
Waarom noem je de spiegels in jouw tekening newtonspiegels: zijn ze vlak of hol?
 
Newtonspiegel is denk ik een term uit den ouden doosch. Zo werden in mijn jeugd de vlakke first surface hoekspiegeltjes bij het oculair van een klassieke Newtontelescoop genoemd.

Gebruikersavatar
Moderator
Berichten: 4.234

Re: Experimenten met optische bench

Als je bij daglicht, terwijl de laser UIT staat, in mijn tekening vanaf punt C door spiegel 2 kijkt, zie je dan perfect samenvallen van de spiegelbeelden A13 en A21? Of zijn er meervoudige spiegelbeelden zichtbaar, horizontaal naast het punt waar ze moeten samenvallen? Met het blote oog kun je dat vermoed ik goed beoordelen.

Gebruikersavatar
Moderator
Berichten: 7.654

Re: Experimenten met optische bench

Naast de groene laser heb ik ook een 200 mW blauw/violet laser met een golflengte van 405 nm. Op een wit vlak geprojecteerd geeft deze een zeer heldere reflectie (vergelijkbaar met de black lights in de disco), en de kortere golflengte is ook welkom. Maar, het blijkt onmogelijk met deze laser een interferentiepatroon te creëren. Het projectiebeeld is een min of meer egaal blauw vlak.
 
De oorzaak hiervan ligt bij de sterkere verstrooiing van dit kortgolvige licht? 

Gebruikersavatar
Moderator
Berichten: 4.234

Re: Experimenten met optische bench

Er moet toch wel interferentie optreden. Als je met de blauwe laser op een cd schijnt en naar de reflectie op de muur kijkt, dan zul je toch wel een rij stippen zien?
 
Kun je meten of de twee bundels die uit de halfdoorlatende spiegel komen van gelijke intensiteit zijn? 

Reageer